Свойства алюминия и его сплавов 

Специальные механические испытания алюминия

 

Стандартными механическим испытанием металлов является испытание на разрыв. При этом получают следующие механические свойства металла: прочность при растяжении, предел текучести и относительное удлинение.

К специальным механическим испытаниям относят:

  • Compression
  • Bearing
  • Shear
  • Hardness
  • Ductility

Fig. 1 – The Test Methods of Compression Strength, Bearing and Shear [1]

Прочность на сжатие

Испытание прочность алюминиевых сплавов при нагрузке на сжатие мало применяется на практике. Это происходит потому, что при нагружении элементов конструкции на сжат е часто возникает коробление, а фактическая прочность металла на сжатие  редко достигается. Для большинства инженерных целей принято использовать то же расчетное напряжение для работы на сжатие, что и для работы на растяжение.

В испытательной машине алюминиевый сплав покажет более высокую прочность на сжатие, чем на растяжение. Это происходит также потому, что площадь поперечного сечения образцов при этом увеличивается.  Цилиндрические образцы из более мягких алюминиевых сплавов могут быть сжаты в толстые диски без растрескивания. Более твердые сплавы имеют обычно растрескиваются.

Несущая способность (прочность на смятие) 

Прочность на смятие алюминия также трудно определять, испытывать и связывать с обычными прочностными свойствами, как и для других металлов. Смятие часто является важным критерием для конструкций с применением соединений на заклепках и болтах и поэтому «прочность на смятие» является широко признанной характеристикой. Прочность на смятие весьма произвольно определяют как давление (на единицу эффективной площади смятия), прилагаемое шпилькой в круглом отверстии. Это отверстие предварительно раздают на 2 % от исходного диаметра (рисунок 1). Эта прочность для большинства алюминиевых сплавов составляет 1,8 от прочности при растяжении (временного сопротивления) (рисунок 2).

 

 

 

Fig. 2 – Compression, Shear, Bearing Strength and Hardness for Different Aluminium Alloys [1]

Прочность на срез

Схема нагружения при испытании на срез приведена на рисунке 1. Для деформируемых алюминиевых сплавов отношение прочности на срез к прочности при растяжении различается в зависимости от химического состава и метода изготовления от 0,5 до 0,75 (см. рисунок 2). В случае отсутствия данных по прочности на срез ее обычно принимают 0,55 от прочности при растяжении.

Заклепки из марок алюминия и сплавов Al-Mn (серия 3ххх) изготовляют методами холодной деформации с достижением прочности на срез до 200 МПа. Заклепки из термически упрочняемых сплавов изготовляют в отожженном состоянии, затем   сразу подвергают закалке и естественному старению с достижением прочности на срез до 260 МПа.

Твердость

Сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого  тела – индентора – является приблизительным индикатором состояния сплава и поэтому широко применяется при контроле продукции. Для алюминиевых сплавов применяют методы Бринелля (стальной шарик), Викерса (алмазная пирамидка) и Шора (падающий алмазный конус). Твердость по Бринеллю изменяется от 20 единиц для чистого алюминия до 175 единиц для термически упрочненного сплава 7075 (см. рисунок 2). По показаниям твердости, как правило, не вычисляют их прочность при растяжении, как это обычно делают для сталей, так как для алюминиевых сплавов соотношение этих двух характеристик далеко от постоянного.

Формуемость

Относительное удлинение образца при испытании на растяжение является полезной информацией, но ее не достаточно для полного представления о пластических свойствах сплава. Поэтому для различных видов продукции в зависимости от ее назначения применяют различные дополнительные технологические испытания.

Для оценки способности металла к последующей формовке часто применяют простые испытания на загиб. Полоса из изделия изгибают на 90° или 180° на оправках заданного диаметра. Применяя последовательно уменьшающиеся диаметры оправок можно получить минимальный радиус загиба, при котором не возникают трещины. Для труб критерием может быть степень ее сплющивания.

Для оценки пластичности листов, например, для глубокой штамповки, часто применяют испытание по Эриксену, при котором полусферический пуансон заданных размеров вдавливается в образец листа, установленный в специальной матрице, с образованием чашеобразной лунки (рисунок 4). Глубина полученной лунки (до образования трещины) определяется по показаниям соответствующих шкал испытательного прибора. Эта глубина является индикатором пригодности металла, например, к глубокой штамповке.

 

 

Fig. 3 – Erichsen Cupping Test: Effect of Sheet Thickness [1] 

Ценность этого испытания заключается в том, оно способно выявлять такие дефекты металла как крупнозернистая структура и чрезмерная анизотропия свойств. При крупном зерне получается сильно шероховатая поверхность лунки или раннее разрушение из-за местного утонения. Анизотропия свойств оказывает влияние на форму разрушения в лунке – при отсутствии анизотропии оно распространяется по окружности.

Источник:

  1. TALAT 1501